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06-17
世界上有没有一种粒子的反粒子就是它自己？这个问题提出80多年后，终于得到了肯定的回答。
2016年，中美联合首次捕获了这种粒子——“马约拉纳费米子”。
近日，来自美国麻省理工学院物理系、印度理工学院物理系、加州大学河滨分校物理与天文学系、美国宇航局物理系的一组研究人员香港科技大学发现了??我们熟悉的金属“金”。
马约拉纳费米子被观测到，相关论文于 2018 年 4 月 6 日发表在《美国国家科学院院刊》上。
鉴于其独特的性质，马约拉纳费米子是构建量子计算机的完美候选者之一。
因此，这一发现无疑推动了容错量子计算机的发展，朝着实现量子计算的梦想又迈出了一步。
在神秘的粒子物理学中，可以以自由状态存在的最小物质组成部分是粒子。
粒子主要分为两类——费米子（如电子和质子）和玻色子（如光子和介子）。
其中，费米子都是自旋为1/2的粒子。
这个概念最早由量子力学奠基人之一、2001年与薛定谔共同获得诺贝尔物理学奖的保罗·狄拉克提出。
保罗·狄拉克认为，宇宙中每一个费米子都有一个相反的反粒子。
两人就像是性格完全相反的双胞胎。
两者所产生的能量，甚至有可能让他们瞬间湮灭。
然而，2006年，意大利物理学家埃托雷·马约拉纳预言，存在一种特殊的费米子，其反粒子与自身具有完全相同的外观和气质。
换句话说，它们的反粒子就是它们自己。
在量子计算中可用于形成稳定的比特。
后来，这种特殊的费米子被命名为“马约拉纳费米子”（以埃托雷·马约拉纳的名字命名）。
为了方便区分，传统认知中的费米子通常被称为“狄拉克费米子”（Dirac fermion，以保罗·狄拉克的名字命名）。
然而，此后80多年来，马约拉纳费米子始终只是一个概念，令物理学家头疼不已。
具体来说，如果想要证实马约拉纳费米子存在的猜想，就需要观察Ettore Majorana在2008年提出的一种被称为“双β衰变”的现象。
经过数十年的努力，加州大学欧文分校的Michael Moe团队率先在实验室成功观测到了硒82的双β衰变。
此后，许多实验成功观察到其他同位素的普通双β衰变，但都没有提供积极的结果来证实上述猜想。
最终，2018年6月22日，来自上海交通大学、浙江大学、南京大学和美国麻省理工学院的团队率先观测到拓扑超导涡旋中马约拉纳费米子存在的重要证据。
这一成果意味着人类在量子物理领域取得了重大突破，也表明在固体中实现拓扑量子计算是可能的。
我们可能已经熟悉容错量子计算中的“量子优势”这个术语。
它指的是量子计算机在处理任务时超越最强大的经典超级计算机的能力。
但事实上，正如中科院院士、量子计算领军人物姚期智教授在第五届腾讯WE大会上的演讲中所说：我们现在已经进入了一个可以看到量子计算的时代。
计算机将会被制造出来——也就是说，最后一英里。
路。
然而，这“最后一公里”不仅非常困难，而且非常耗时。
雷锋网了解到，量子计算难以实现的原因之一就是“噪声”。
量子位中的热量或更深层次的量子物理过程产生的随机波动可能会导致计算失败。
面对这种噪音，研究人员还没有想出解决办法。
目前主要有两种方法： 多数决定法：统计哪些位（0或1）多，哪一位多就正确。
;奇偶校验：检查相邻位的值是否相同。
如果它们不同，则说明其中之一是错误的。
这里，出现了“容错阈值”的概念，这是量子纠错能够达到理想效果的前提——奇偶校验过程中产生的错误不会增加错误的数量。
然而，纠错显着增加了计算成本，因为计算能力用于纠正错误而不是运行算法。
因此，研究人员可以说另辟蹊径，提出了主动“适应噪声”的新解决方案，即容错量子计算。
实现容错量子计算需要错误率显着低于阈值（约0.1%）和超过一百万个量子位。
目前，这是不可能的。
金中的马约拉纳费米子 在上述论文中，研究团队提到，他们在金中发现的马约拉纳费米子适用于标准纳米加工技术，可用于容错量子计算机。
量子位是构建块，因此有望推动容错量子计算的发展。
具体来说，研究团队设计并制造了一种材料系统，该系统由约4纳米厚的金纳米线组成，这些金纳米线生长在超导材料钒上，并分散有微小的硫化铕铁磁体。
当研究小组扫描硫化铕附近的表面时，他们发现金表面的信号尖峰能量为零。
根据理论，这些现象只能由马约拉纳费米子对产生。
事实上，这一发现并非偶然。
该论文的合著者之一帕特里克·李（Patrick Lee）大约 10 年前就有了马约拉纳费米子可能存在于普通金属材料中的想法。
这个想法背后的原因是，虽然科学家夫妇长期以来一直在半导体中寻找马约拉纳费米子，将半导体与超导体结合起来，赋予其超导特性，但半导体中的粒子可以在分裂马约拉纳费米子对后形成。
但事实上，金属在靠近超导体时也可以变得超导。
对此，论文的另一位合著者 Jagadeesh Moodera 表示：值得注意的是，我们的材料制备方法比传统的“基于半导体的生成量子位的方法”更加稳定。
我们的物质体系是一个把金放在铁上的体系。
磁体和超导体之间的“三明治”结构。
从另一个角度来看，这也使其在成本方面具有更大的商业优势。
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